山西机电职业技术学院
毕业综合实践资料
专业: 焊接技术与及自动化
班级: 焊接1313班
姓名: 王玉印
学号: 13190346 实习单位:
实习时间：2014年7月-2016年5月
指导教师:
山西机电职业技术学院
毕业综合实践任务书
专业: 焊接技术与及自动化
班级: 焊接1313班
姓名: 王玉印
学号: 13190346
实习单位:
实习时间：2014年7月-2016年5月
指导教师:
山西机电职业技术学院
毕业论文
题目：焊接技术与及自动化
专业：焊接技术及自动化
班级：焊接1313班
姓名：王玉印
学号： 13190346
指导教师：职称：
完成日期： 2016 年 4 月 14 日
摘要
焊接由于工艺过程中高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后不可避免地会产生焊接应力和变形，而焊接变形会对结构的外观、承载能力、服役性能等方面产生诸多不利的影响，因此对焊接残余变形量进行分析和估算具有很重要的现实意义。本文以 T 型构件作为研究对象，制定未开坡口或开坡口试件的焊接工艺，分析焊接变形的影响因素，尤其是对工艺过程中的焊接热输入做重点探讨；对 T 型构件焊缝的纵向收缩进行实测，推导变形量的计算公式，在科学简化的基础上进行了计算，并将估算值与实测值进行对比。实验结果表明所选用的焊接规范参数符合实际焊接要求，计算公式得当，其焊接工艺与变形的计算方法能够为生产实际提供理论依据。
关键词：T 型接头；焊接变形；热输入
Welding Technology and Automation
Abstract Welding is a reliable and effective method of material connecting so it is widely applied to various industries. The presence of residual deformation affects not only the structure of the dimensional accuracy and appearance and may reduce its carrying capacity and mechanical performance so welding distortion prediction and control is very important. With the computer and the development of finite element analysis computer simulation of mechanical behavior of the welding process to become an essential way the use of inherent strain method to predict welding deformation is a typical example. In this paper T-welded components for the study analysis and forecasting using the inherent strain method T-welded components transverse contraction and longitudinal contraction.Focus on the inherent strain analysis method and computer application process were studied.
Key words: T-joint Welding distortion Heat input
目录
引言 ...... . .... .. .. ...... ...... .... ..... . (1)
第一章焊接变形及其影响因素 ..... . . .... .... ..... .. ... . . (3)
1.1 焊接变形产生的原因 .................. ............. . (3)
1.2 焊接变形的分类及其之间的关联 ........ (4)
1.3 焊接变形的影响因素 .......... .. (7)
1.3.1 材料因素的影响 (7)
1.3.2 结构设计因素的影响 (7)
1.3.3 焊接方法的影响 (8)
1.3.4 焊接层数的影响 (8)
1.3.5 接头型式的影响 (8)
1.3.6 焊缝截面积对焊接变形的影响 (9)
1.4 预防和控制焊接变形的方法 (9)
1.4.2 间断焊接 ............................. . (10)
1.4.3 减少不必要的焊道 ............................. .. (11)
1.4.4 反变形法 ................................... . (11)
1.4.5 刚性固定法 ................................. . (11)
1.4.6 锤击焊缝法 ..... ..... ........... ........... (11)
第二章 T 型构件焊接工艺及焊接变形测试 . .. .. ... .... . .. ... .. 12
2.1 试件的材料及尺寸 .......................... .. (12)
2.2 材料的成分及性能 (12)
2.3 焊接工艺参数的选择 (13)
2.4 焊接步骤 (16)
2.5 焊接变形的测量与结果 (17)
第三章变形的计算 .... ... .... .. ..... ....... ....... .. (17)
3.1 焊接变形计算方法 (17)
3.1.1 解析法 (18)
3.1.2 热弹塑性有限元法 (18)
3.2 固有应变法 (20)
3.2.1 固有应变 (20)
3.2.2 固有应变法焊接变形的解析法 (22)
3.3 试件焊接变形的计算 (23)
3.4 计算值与实测值得比较 (23)
3.5 分析实验的误差原因 (23)
参考文献 ........... ... ..... ..... ...... ....... .... .. (26)
谢辞 ........ ............. ..... ........ ... ... ...... .... .. 28
引言
焊接作为一种灵活高效的连接方式广泛的应用于桥梁、船舶、建筑、航空、压力容器等制造业，随着我国钢结构产业的高速发展，焊接技术在钢结构工程中得到大量的应用，在工农业的各个生产部门，焊接结构遍布于国民经济的各个领域。从民间交通到火箭导弹等运载工具，从农业机械到各种精密机械和重型及其处处皆有。然而，随之而来的焊接结构残余变形也一直困扰着焊接界，此现象也成为人们密切关注的焦点。焊接变形的存在不仅造成了焊接结构形状变异，尺寸精度下降和承载能力降低，而且在工作载荷作用下引起的附加弯矩和应力集中现象是焊接结构早期失效的主要原因，也是造成焊接结构疲劳强度降低的原因之一。这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。由于高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生大的残余应力(焊接残余应力)和变形(焊接残余变形、焊接收缩、焊接翘曲)，焊接过程中产生的动态应力和焊后残余应力影响构件的变形和焊接缺陷，而且在一定程度还影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。因此，在设计和施工时必须充分考虑焊接应力和变形的特点。
焊接是将金属材料连接成构件的最重要的方法，无论添加或不添加填充金属，包括表面堆焊焊缝，大多数焊接过程的技术核心是被连接表面的熔化，随后是连续的冷却，局部热输入形成局部熔化，同时尽可能的减少向构件内部的热扩散和向周围环境的热散失，焊接过程是一个不均匀的、快速地加热和冷却的过程。其中熔化焊接时，被焊金属在热源作用下发生局部加热和熔化，材料的力学性能也会发生显著的变化，而焊接热过程也直接决定了焊缝和热影响区焊后的显微组织、残余应力与变形大小，所以焊接热过程的准确计算和测定是焊接应力和变形分析的前提。为使其简单化，实际中常用焊接性的概念作为一种分类系统，将焊接分解为热力学、力学和显微结构等过程，从而降低了焊接性各种现象的复杂性。焊接过程中以及焊后结构都将不可避免地产生焊接变形，而这些变形焊接施工中最麻烦也是最难处理的问题之一。焊接变形的存在不仅影响结构的尺寸精度和外观,而且有可能降低其承载能力和机械性能，更重要的是容易引起焊接结构的失稳。
在焊接过程中，焊接变形的存在不仅影响焊接结构的制造过程，焊接变形甚至会严重影响制造过程、焊接结构的使用性能、焊接接头的抗脆断能力、疲劳强度、抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂能力。因此对焊接变形的分析和对焊接变形量的估算具有重要意义。
本文分为三章，第一章介绍焊接变形产生的原因及影响因素，并分析了焊接变形的种类及各类之间的关联；第二章以T型焊接构件为研究对象，制定焊接工艺，并对焊缝的纵向收缩进行实测；第三章论述了焊接变形的估算，并将估算值与实测值进行对比，以便为生产实践提供理论依据。
第一章焊接变形及其影响因素
1.1 焊接变形产生的原因
焊接接应力和变形是由多种因素交互作用而导致的结果。通常，若仅就其内拘束度的效应而言，焊接应力与变形可表诉如下。焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区溶化；而与熔池毗邻的高温区材料热膨胀则受到周围材料的限制，产生不均匀的压缩塑性变形；在在冷却过程中，已已发生压缩塑性变形的这部分材料又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程度上又被拉伸而卸载；与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩使也产生相应的收缩拉应力与变形。这样，在焊接接头区产生了缩短的不协调应变。焊接变形产生的原因有以下几种：（1）不均匀的局部加热和冷却是最主要原因。焊接时，试板的局部被加热到熔化状态，形成了试板上温度的不均匀分布区，使试板出现不均匀的热膨胀，热膨胀受到周围金属的阻碍不能自由膨胀而受到压应力，周围的金属则受到拉应力。在靠近焊缝一侧高温区受到热压力作用，而在远离焊缝一侧受到热拉应力的作用。当被加热金属受到的压应力超过其屈服点时，就会产生塑性变形。试板冷却时，由于焊缝先后冷却时间不同，先焊的先冷却凝固，存在一定强度，阻止了后焊的焊缝在横向的自由膨胀，使其产生横向压缩变形。后焊的焊缝冷却时，横向收缩受到阻止，而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力。由于加热的金属在加热时已产生了压缩的塑性变形，所以，最后的长度要比未被加热金属的长度短些。
（2）焊缝金属及焊接热影响区的组织发生变化。焊缝及焊接热影响区金属在焊接时加热到熔点或固态相变温度以上，冷却过程中其金属组织要发生变化。由于各种组织的比容不同，因此随之发生体积的变化。
（3）钢结构刚性不大时，焊缝在结构中对称布置，施焊程序合理时只产生线性缩短；当焊缝布置不对称时，还会产生弯曲变形；焊缝截面重心与接头截面
重心在同一位置上时，只要施焊程序合理，只产生线性缩短；当焊缝截面重心偏离接头截面重心时，还会产生角变形。焊缝数量越多，变形越大。
（4）构件点焊成形后，应根据构件的不同几何尺寸、形状制定出正确的焊接工艺流程，此项工作对控制焊接变形关系重大，大部分变形量是由于焊接工艺不正确所造成，如焊接电流大、焊条直径粗、焊接速度慢等，均会造成焊接变形大。多层焊时，
第一层焊缝收缩量最大，层数越多焊接变形也越大。断续焊缝比连续焊缝的收缩量小，焊接次序不当或未先焊好分部构件，然后总拼装焊接，都易产生较大的焊接变形，所以在施工时要制定合理的焊接工艺措施是很重要的。
1.2焊接变形的分类及其之间的关联
焊接变形一般按照变形的特点分为以下7 类：
1）横向收缩由于移动热源(焊接电弧)的加热和随后的冷却，使得温度垂直于被焊构件的长度和厚度方向不均匀分布，即在焊接接头区产生残余的横向收缩塑变和横向应力。横向收缩的形成原因，一部分是由于焊缝金属冷却后的收缩，另一部分是焊缝金属热膨胀受阻形成横向残余塑性变形而引起的。
横向收缩变形及其产生的挠曲变形。
横向变形的大小与焊接线能量和板厚有关，随着焊接线能量的提高，横向收缩量增加；随着板厚的增加，横向收缩量减少。横向变形沿焊缝长度上的分布并不均匀。这是因为先焊的横向收缩对后焊的焊缝产生一个挤压作用，使后者产生更大的横向压缩变形。因此，焊缝的横向收缩沿着焊接方向是由小到大逐渐增长的，到一定程度后趋于稳定。另外，采用埋弧自动焊时横向收缩量比板厚相近的手工电弧焊的横向收缩变形量小，采用气焊时横向收缩量比手工电弧焊的横向收缩量大。如果横向焊缝在结构上分布不对称，那么它的横向收缩也能引起结构的挠曲变形。
2）纵向收缩在焊接时，由于沿焊缝方向不均匀的温度分布，焊缝及其附近的金属产生了纵向压缩残余塑性变形。产生塑性变形的区域称为塑性变形区。构建纵向收缩的变形的大小取决于塑性变形区的大小，构建截面积，焊接线能量以及焊缝的长度。由于塑性变形区的收缩受到周围金属的阻碍，所以相对来说纵向收缩不如横向收缩显著。理论认为纵向收缩量大约为焊缝长度的1／1000。
纵向收缩变形以及由它所引起的挠曲变形。纵向收缩变形量的大小主要取决于构件的长度、截面积和压缩塑性变形的大小。而压缩塑性变形与焊接参数、焊接方法、焊接顺序以及材料的热物理参量有关。在这些工艺因素中，焊接线能量（Q=q/v，q 为能量，v 为焊接速度）是主要的。在一般情况下，纵向收缩变形与焊接线能量成正比的关系。对于同样截面积的焊缝来讲，多层焊每次所用的焊接线能量比单层焊时小得多，所以多层焊时引起的纵向收缩比单层焊小。分的层数越多，每层所用的线能量就越小，变形也越小。同理，间断焊的纵向收缩变形要比连续焊时小得多。当焊缝在构件中的位置不对称时，焊缝引起的应力就是不均匀的，这样它不但使构件缩短，同时还使构件弯曲，产生挠曲变形。纵向收缩和横向收缩的图示如图1-1。
图1-1 横向收缩和纵向收缩
3）挠曲变形构件焊后在外形上发生挠曲。主要是因为两侧焊缝收缩变形量的同，或一边产生收缩变形而另一边保持不变而引起的，见图1-2。
图1-2 挠曲变形
4）角变形。焊后构造的平面围绕焊缝缝产生的角位移。主要是由于沿板厚方
向焊缝收缩变形量的不同造成。
在堆焊、对接、搭接和丁字接头的焊接时，由于横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布，往往会产生角变形。角变形的大小取决于构件的压缩塑性变形的大小和分布情况，同时也取决于板的刚度。对于同一种板厚，随着焊接线能量的增加，正反两面塑性变形量的差值将增加，角变形量也将增加。但当线能量达到某一值时，角变形不再上升，如果进一步提高线能量，反而会出现角变形减小的现象。这是因为线能量的进一步提高，使得板背面的温度随着提高，正反两面的塑性变形量的差值可能降低，所以角变形反而减少。对于同样的板厚和坡口形式，多层焊比单层焊角变形大，焊接层数越多，角变形越大。另外多道焊比多层焊的角变形要大，角变形的图示如图1-3.
图1-3角变形
5）波浪变形。构件的焊接后呈波浪状的变形，主要出现在薄钢板的焊接中，是由于薄钢板焊后存在焊缝内应力，在内应力作用下，使薄板失稳，形成波浪变形。
波浪变形一般在薄板焊接时出现较多。这是因为在薄板焊接时，由于焊接应力的作用，薄板可能发生失稳（薄板在承受压力时，当其中的压应力达到某一临界数值时，薄板将因出现波浪变形而丧失承载能力，这种现象通常称为失稳），从而产生波浪变形。降低波浪变形可以从降低压应力和提高临界应力两方面着手。因压应力的大小和拉应力的区域大小成正比，故减小塑性变形区就可能降低压应力的数值。CO2 气体保护焊所产生的塑性变形区比气焊和手工电弧焊小，断续焊比连续焊小，接触点焊比熔化焊小，小尺寸的焊缝比大尺寸的焊缝小。因此，采用塑性变形区小的焊接方法和措施就可以减少波浪变形，见图1-4.
图1-4 波浪变形
6）错边变形。焊后两焊接件在长度方向和厚度方向的错位现象，称为错边变形。主要是焊接过程中两焊接件的受热不均匀造成的。
焊接过程中对接边的热不平衡是造成焊接错边的主要原因。另外焊接件的两边刚度不同也会造成错边，因为刚度越大的焊接边的位移越小，造成两边在焊接中不同步位移，从而产生错边，见图1-5。
图1-5 错边变形
7）螺旋形变形。焊件在结构上出现的扭曲变形。主要是由于焊缝角变形沿长度上的分布不均匀和工件的纵向错边造成的。
产生螺旋形扭曲变形的主要原因是由于焊缝角变形沿长度上的分布不均匀性和工件的纵向错边造成的。这种变形在较长梁形构件焊接时比较常见，见图1-6.
图1-6 螺旋型变形
1.3焊接变形的影响因素
1.3.1 材料因素的影响
材料对于焊接变形的影响不仅和焊接材料有关，而且和母材也有关系，材料的热物理性能参数和力学性能参数都对焊接变形的产生过程有重要的影响。其中热物理性能参数的影响主要体现在热传导系数上，一般热传导系数越小，温度梯度越大，焊接变形越显著。力学性能对焊接变形的影响比较复杂，热膨胀系数的影响最为明显，随着热膨胀系数的增加焊接变形相应增加。同时材料在高温区的屈服极限和弹性模量及其随温度的变化率也起着十分重要的作用，一般情况下，随着弹性模量的增大，焊接变形随之减小而较高的屈服极限会引起较高的残余应力，且峰值应力和平均应力均较高，焊接结构存储的变形能也会因此而增大，从而可能促使脆性断裂，此外，由于塑性应变较小且塑性区范围不大，因而焊接变形得以减小。
1.3.2结构设计因素的影响
焊接结构的设计对焊接变形的影响最关键，也是最复杂的因素。其总体原则是随拘束度的增加，焊接残余应力增加，而焊接变形则相应减少。结构在焊接过
程中，工件本身的拘束度是不断变化着的，因此自身为变拘束结构，同时还受到外加拘束的影响。一般情况下复杂结构自身的拘束作用在焊接过程中占据主导地位，而结构本身在焊接过程中的拘束度变化情况随结构复杂程度的增加而增加，在设计焊接结构时，常需要采用筋板或加强板来提高结构的稳定性和刚性，这样做不但增加了装配和焊接工作量，而且在某些区域，如筋板、加强板等，拘束度
发生较大的变化，给结构的焊接变形分析与控制带来了一定的困难。因此，在结构设计时针对结构板的厚度及筋板或加强板的位置、数量等进行优化，对减小焊接变形有着十分重要的作用。
1.3.3焊接方法的影响
多种焊接方法的热输入差别比较大，如在钢结构焊接常用的几种焊接方法中，在其他条件如焊缝断面积等相同情况下，除电渣以外，埋弧焊热输入比较大，
气体保护焊最小。
收缩变形比较大，手工电弧焊居中，CO
2
1.3.4焊接层数的影响
以纵向收缩为例，多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成单层焊的热输入小得多，塑性变形区范围窄。冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束，因此，多层焊接时的纵向收缩变形比单层焊时要小很多，而且焊的层数越多，纵向变形越小。
1.3.5接头型式的影响
在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方面等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向．横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。
1)表面堆焊时，焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母材的约束．而且加热只限于工件表面一定深度而使焊缝的收缩同时受到板厚、深度、母材方面的约束，因此，变形相对较小。
2)T形角接接头和搭接接头时，其焊缝横向收缩情况与堆焊相似，其横向收缩值与角焊缝面积成正比，与板厚成反比。
3)对接接头在单道(层)焊的情况下，其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大．在单面焊时坡口角度大。板厚上、下收缩量差别大，因而角变形较大。双面焊时情况有所不同，随着坡口角度和间隙的减小，横向收缩减小，同时角变形也减小。 1.3.6 焊缝截面积对焊接变形的影响
焊缝截面积焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝截面积越大，冷